低功率電子是一個快速發(fā)展的領域,對于應對當今的能源挑戰(zhàn)至關(guān)重要。所有設備,從移動電話到?電動汽車 ,參與這項工作。效率是口號,指導低功率設計的關(guān)鍵原則,新興的技術(shù)和戰(zhàn)略在所有電氣和電子應用中最大限度地提高能源效率。

導言

使用一個耗能小的設備比使用一個耗能大的設備更有益。原因很多,從散熱到用電成本、空氣污染和電池自主權(quán)。當然,以低能耗為重點的裝置的設計意味著更深入的研究,對電子解決方案的更復雜的概念,以及高質(zhì)量部件的使用;所有這些特性都很可能提高設備的最終價格。

然而,低耗電系統(tǒng)的優(yōu)點是不可否認的。降低能源成本是極其重要的,特別是對于數(shù)據(jù)中心和工廠等大型系統(tǒng)。即使消耗幾千瓦,也能大規(guī)模地節(jié)省大量費用。耗能較少的電子元件自然在較低的溫度下工作,延長部件壽命和可靠性,同時減少更換和維修的需要。

如今,大多數(shù)設備都是便攜式的,或者至少是使用電池進行操作。在智能手機、筆記本電腦、燈具、收音機和可穿戴設備等這類設備中,能源效率至關(guān)重要,可轉(zhuǎn)化為更長的電池壽命,增加用戶的便利性,減少頻繁充電的需要。

低功率設計在幾乎所有現(xiàn)有設備中得到應用,例如移動設備(智能手機、平板電腦、筆記本電腦和需要較長電池壽命的可穿戴設備)、物聯(lián)網(wǎng)設備(尤其是傳感器和執(zhí)行器)、消耗大量能源的數(shù)據(jù)中心,以及效率更高的電動車輛具有更大的自主權(quán)。所有這些優(yōu)勢也轉(zhuǎn)化為較低的環(huán)境影響。能源消耗量的減少與溫室氣體排放量的減少相對應。

低消耗設計

能夠消耗盡可能少的能量的裝置的目標集中在許多不同的戰(zhàn)略上,包括化學、物理和電氣技術(shù)。主要目標是共同的,目的是盡量減少所有電子元件,甚至最"無害"的部件耗散的功率。設計師必須仔細選擇這些元件:電阻器、電感器、變壓器、MOSIFT和二極管要求非常特殊的特性。

此外,僅選擇最好的組件來確保較低的耗電度是不夠的;還必須確保最佳的運行條件,這取決于所采用的電路的配置、可能使用的開關(guān)頻率以及所涉及的電壓。因此,設計師必須選擇低功率元件,優(yōu)化電路,并使用優(yōu)秀的電源管理技術(shù)。

降低電源電壓可導致能源消耗大幅度降低,不過,特別是在汽車應用中,提高電壓和降低電流的趨勢相反,需要更薄和更輕的連接。無論選擇何種操作電壓,良好的規(guī)劃都允許生產(chǎn)低耗電器件,特別是通過智能設計電源,將電路中未使用的部分關(guān)閉或開關(guān)為節(jié)能模式,以減少能耗。

如果不使用與電子部件有關(guān)的低功率技術(shù),所有這些努力都將是徒勞的。如今,由于高擊穿電壓、高電流、低導電電阻(RDS(ON))、高開關(guān)頻率、高工作溫度、降低開關(guān)損耗、減小尺寸和重量以及更高的功率密度,加上較低的寄生電容,寬帶半導體,如西克和甘等的使用比以往任何時候都更能有效地促進節(jié)能。

一些技巧

如前幾段所述,沒有單一的魔術(shù)方法來獲得一個高效和低功率的裝置;相反,必須遵循各種戰(zhàn)略。其中之一涉及到開關(guān)頻率,特別是對于電源設備,如轉(zhuǎn)換器和逆變器。圖1中的通用圖顯示了基于MOSFET的簡單開關(guān)電路。它的主要功能是利用V1生成的控制信號控制電流通過負載的流動,用R1表示。

圖1:基于MOSFET的簡單開關(guān)電路

最佳開關(guān)頻率的選擇是實現(xiàn)完全符合EMI減少規(guī)定的高效解決方案的關(guān)鍵之一。一般而言,電路功能所需的開關(guān)數(shù)目應減少到最低限度。一個非常簡單的模擬證明了隨著工作頻率的增加,消耗的增加。

在開關(guān)條件下,MOSFET隨著頻率的增加而消耗更多的能量。這主要是由于兩個因素:

· 開關(guān)損耗:每次MOSFET從截止狀態(tài)切換到傳導狀態(tài),反之亦然,能量損失發(fā)生。這些損失是因為,在過渡期間,MOSFET處于一個同時存在電壓和電流的活動區(qū)。開關(guān)頻率越高,每秒的轉(zhuǎn)換次數(shù)越多,因此開關(guān)損失也會越大。

· 門電容充電和放電損耗:MOSFET有一個門電容,當晶體管開關(guān)時,它就會充電和放電。這個過程需要超過零的能量和時間

圖2顯示了隨著開關(guān)頻率的變化,由一個通用的碳化物MOSFET耗散功率的特征圖。x軸在對數(shù)尺度上顯示開關(guān)頻率,而y軸顯示MOSFET在該頻率上的平均耗散。設計師面臨的挑戰(zhàn)是使用適當?shù)念l率平衡不同的參數(shù),即EMI,產(chǎn)生聲學音符(即使是在較高的諧波中),以及其他許多。選擇正確的頻率并不是一個簡單的操作;它不應該太低,以至于引起聲學和聲音干擾,也不應該太高,因為電磁干擾排放。此外,必須根據(jù)MOSFET驅(qū)動器的技術(shù)規(guī)格仔細選擇頻率。

圖2:隨著開關(guān)頻率的變化,用通用的碳化物MOSFET來描述耗散的功率

另一個低功率設計準則是基于重要的RDS(ON)參數(shù),該參數(shù)確定了MOSFET處于正常狀態(tài)時的導電電阻。該參數(shù)應盡可能低,以盡量減少導電損耗和相關(guān)的耗能.有幾個網(wǎng)站提供了選擇最優(yōu)MOSFET的計算工具。這個參數(shù)是設計師在他們的項目中應該考慮的第一個參數(shù),但是,他們也應該關(guān)注設備所能達到的最大開關(guān)速度和寄生門電容。

圖3顯示了三種不同RDS電阻值在不同開關(guān)頻率下的平均耗散。此參數(shù)的低值總是更好的。在這個例子中,使用了三種通用的、分別為27歐姆、80歐姆和150歐姆的SSFET。高電阻值對應于較高的連接和"容器"溫度,顯然,電路效率較低。

圖3:不同RDS(上)電阻值在不同開關(guān)頻率下的三種碳化硅器件的功率耗散

設計者還應該仔細考慮激活MOSFET的適當閘門電壓。它應該足夠高,使MOSFET進入飽和時,打開,并足夠低,完全關(guān)閉它。使用優(yōu)秀的駕駛員駕駛閘門也必須仔細評估。一個好的駕駛員應該確保高的閘流快速地打開和關(guān)閉MOSIFT,從而減少開關(guān)損失。所有的動力元件必須充分地消散所產(chǎn)生的熱量.設計者必須提供適當?shù)睦鋮s系統(tǒng),因為不必要的過熱會降低性能和縮短組件的使用壽命。此外,仔細研究印刷電路板軌道也是必要的,因為它們構(gòu)成了一個極有可能產(chǎn)生不必要寄生反應的感應和電容系統(tǒng)。因此,設計師不僅要專注于純電子學科,而且今天比以往任何時候都更要致力于創(chuàng)造復雜的熱電路,包括研究使用各種形狀和尺寸的鋁或銅熱吸收器,其特點是精確的熱傳導率必須適應不同的環(huán)境條件,改變對流系數(shù)。只有通過所有這些分析,才有可能設計和實現(xiàn)有效的解決方案。目前有許多有效的電子模擬器可以在不同的工作條件下精確模擬似是而非的場景。包括使用鋁或銅的不同形狀和尺寸的熱吸收器的研究,其特點是精確的熱導率必須適應不同的環(huán)境條件和變化的對流系數(shù)。只有通過所有這些分析,才有可能設計和實現(xiàn)有效的解決方案。目前有許多有效的電子模擬器可以在不同的工作條件下精確模擬似是而非的場景。包括使用鋁或銅的不同形狀和尺寸的熱吸收器的研究,其特點是精確的熱導率必須適應不同的環(huán)境條件和變化的對流系數(shù)。只有通過所有這些分析,才有可能設計和實現(xiàn)有效的解決方案。目前有許多有效的電子模擬器可以在不同的工作條件下精確模擬似是而非的場景。有許多有效的電子模擬器可以在不同的工作條件下精確模擬似是而非的場景。有許多有效的電子模擬器可以在不同的工作條件下精確模擬似是而非的場景。

結(jié)論

低功率設計被證明是一個極其動態(tài)和不斷發(fā)展的電子領域,對于應對我們時代的能源和環(huán)境挑戰(zhàn)至關(guān)重要。技術(shù)創(chuàng)新有望進一步推動效率限制,為日益高性能和可持續(xù)的設備鋪平道路。例如,能源收集是一個有希望的領域,可利用可再生能源為電子產(chǎn)品供電,進一步減少對環(huán)境的影響。盡管存在著與系統(tǒng)日益復雜和設備小型化有關(guān)的挑戰(zhàn),但人類的創(chuàng)造力和科學研究繼續(xù)找到創(chuàng)新的解決辦法,為低功率電子產(chǎn)品和更環(huán)保的世界開辟了充滿希望的未來。